自密實再生混凝土氯離子滲透性能時變規律*

姚大立， 遲金龍， 余 芳， 胡紹金

(沈陽工業大學 建筑與土木工程學院， 沈陽 110870)

隨著我國城市化進程的推進，建筑行業蓬勃發展，從而產生了大量的以廢棄混凝土為主的建筑垃圾，不僅占用空間資源而且污染環境.將再生粗骨料應用于自密實混凝土中而形成的自密實再生混凝土，不僅可以將廢棄的混凝土垃圾循環利用，還能解決實際工程中一些復雜混凝土結構存在澆筑振搗困難的問題，達到節約自然資源，保護生態環境的目的[1-2].

目前，國內外學者關于自密實再生混凝土的基本力學性能進行了研究并取得了一定的成果[3-8].自密實再生混凝土的立方體抗壓強度、抗折強度以及彈性模量要較普通混凝土低，但棱柱體抗壓強度要略高于普通混凝土.另外，自密實再生混凝土的脆性要較普通混凝土大，這也意味著在相同條件下，自密實再生混凝土梁更容易開裂.然而，鋼筋銹蝕是影響鋼筋混凝土結構耐久性的最主要因素，尤其在除冰鹽環境和沿海高鹽含量等環境中，使得氯離子更容易滲透進入混凝土到達鋼筋表面致使鋼筋銹蝕，降低混凝土結構使用壽命.現有研究表明，再生混凝土由于再生骨料自身的缺陷，其力學性能、耐久性能和變形性能都低于普通混凝土，而自密實混凝土由于粉煤灰的加入以及產生的二次水化效應，可以提高混凝土的密實度并優化混凝土的孔結構，從而提高自密實混凝土的抗氯離子侵蝕性能.但通過查閱大量文獻發現，目前關于自密實再生混凝土的抗氯離子滲透問題的研究還鮮有報道，因此，對自密實再生混凝土抗氯離子滲透性能的研究對于完善自密實再生混凝土的研究有著重要的科學意義.

本文采用自然浸泡法以暴露時間為影響因素，研究其對強度等級為C30～C50的自密實再生骨料混凝土(RA-SCC)的抗滲透性能影響，并與天然骨料混凝土(NA-C)和自密實天然骨料混凝土(NA-SCC)的抗滲透性能進行比較，具有重要的現實意義和應用價值.

1 試驗概況

1.1 試驗材料及配合比設計

試驗采用遼寧本溪生產的山水工源牌水泥，共分兩種，其中PS32.5級用于配制C30和C40混凝土，PO42.5級用于配制C50混凝土；粉煤灰為沈西熱電廠生產的I級粉煤灰；細骨料為天然水洗中砂，含泥量小于1%；粗骨料分為天然碎石和再生骨料，粒徑范圍均為5.00～20.00 mm，天然碎石產自遼寧撫順，其表觀密度為2 830 kg/m3，壓碎指標和吸水率分別為8.71和0.91，再生骨料由抗壓強度等級為C50的實驗室廢棄混凝土試塊經破碎、打磨、篩選而成，其表觀密度為2 730 kg/m3，壓碎指標和吸水率分別為14.7和5.10；減水劑為遼寧建科院生產的LJ612型高效減水劑.自密實再生混凝土(RA-SCC)與普通混凝土(NA-C)的配合比如表1所示.

1.2 試驗方法

試件采用100 mm×100 mm×100 mm立方體試塊，在標準養護28 d后，用環氧樹脂將試塊的5個面密封，然后置于5%的氯鹽溶液中，分別浸泡30、60、90和120 d.浸泡到期后，采用分層鉆孔法鉆取并收集距浸泡面表面滲透深度分別為0～5 mm、5～10 mm、10～15 mm、15～20 mm的每層粉末，然后采用化學滴定法測定各層氯離子的濃度.

2 試驗結果分析

2.1 自由氯離子含量與滲透深度的關系

圖1為不同強度等級的RA-SCC、NA-C和NA-SCC在氯鹽中自然浸泡30、60、90和120 d的自由氯離子含量隨深度變化的關系，其中，R3-30 d表示強度等級為C30、浸泡時間為30 d的RA-SCC，以此類推，S代表NA-SCC，N代表NA-C.由圖1可以看出，RA-SCC、NA-C和NA-SCC的自由氯離子含量隨滲透深度的增大均顯著降低，其衰減速率由快而慢，最終趨于穩定.比較圖1a、b、c可以發現，同一滲透深度下，RA-SCC的自由氯離子含量隨混凝土強度等級的提高而顯著減小，例如，R3-30 d、R4-30 d和R5-30 d在距離表面深度為0～5 mm處的自由氯離子濃度分別為0.427%、0.326%和0.263%.

圖1 自由氯離子含量與滲透深度的關系Fig.1 Relationship between free chlorine ion content and penetration depth

2.2 擴散行為模型

一般認為，單面自然浸泡試驗中混凝土氯離子含量的分布遵循Fick第二定律[9].根據Fick第二定律可計算出混凝土的氯離子擴散系數和表面氯離子濃度，其表達式為

(1)

2.3 氯離子擴散系數與暴露時間的關系

表2為混凝土氯離子擴散系數與表面氯離子濃度.由表2可以看出，RA-SCC、NA-SCC、NA-C的氯離子擴散系數均隨暴露時間的延長而顯著減小.Thomas等[10-11]人指出混凝土試件的表面氯離子擴散系數隨暴露時間的衰減遵循冪函數變化規律，其表達式為

表2 混凝土氯離子擴散系數與表面氯離子濃度Tab.2 Chlorine diffusion coefficient and surface chloride concentration of concretes

Df=At-m

(2)

式中：A為回歸系數；m為時間依賴指數.

根據式(2)對表面氯離子擴散系數與暴露時間進行回歸分析，結果如表3所示.可以看出，混凝土強度等級越高，RA-SCC和NA-SCC的表面氯離子擴散系數的時間依賴指數m越大，RA-SCC和NA-SCC的表面氯離子擴散系數Df隨暴露時間增加的下降速度越快；同等強度下，NA-SCC的m值較RA-SCC要小，這說明相同強度等級下，RA-SCC的表面氯離子擴散系數Df的降低速度較NA-SCC??；與RA-SCC、NA-SCC不同的是，NA-C的表面氯離子擴散系數時間依賴指數m隨混凝土強度等級的提高而減小，這說明NA-C的表面氯離子擴散系數Df隨暴露時間增加的下降趨勢變緩.這意味著，相對于NA-C，提高混凝土強度對改善RA-SCC和NA-SCC的抗氯離子滲透性能更為有效.

表3 自由氯離子擴散系數與暴露時間回歸關系Tab.3 Regression relationship between free chlorine ion diffusion coefficient and exposure time

2.4 混凝土表面氯離子濃度與暴露時間的關系

圖2為強度等級為C30～C50的RA-SCC、NA-SCC和NA-C的表面氯離子濃度隨暴露時間的變化關系.由圖2可知，當暴露時間小于60 d時，混凝土的表面氯離子濃度增長顯著，但當暴露時間超過60 d后，混凝土的表面氯離子濃度增長緩慢得多.例如，暴露時間為60 d的RA-SCC-30的表面氯離子濃度較暴露時間為30 d時增長了27.8%，而暴露時間為90 d的RA-SCC-30的表面氯離子濃度較暴露時間為60 d時僅增長了15.2%，NA-C、NA-SCC同樣也具有此規律.然而，相較于NA-C和NA-SCC，RA-SCC的表面氯離子濃度在暴露時間小于60 d時，具有更快的增長速率，而在暴露時間大于60 d時，其表面氯離子濃度增長更為平緩，這可能與RA-SCC中再生骨料的性質有關.

圖2 表面氯離子濃度與暴露時間的關系Fig.2 Relationship between surface chlorine ion concentration and exposure time

一般認為，混凝土表面氯離子濃度隨時間的變化關系表達式為

C′S(t′)=C′0(1-e-rt′)

(3)

式中：C′S(t′)為t′時刻的混凝土表面氯離子濃度；C′0為混凝土表面氯離子濃度最大值；t′為暴露時間；r為形狀參數.

根據試驗數據，按照式(3)可回歸得到混凝土表面氯離子濃度與暴露時間函數模型的參數，如表4所示.

表4 混凝土表面氯離子濃度最大值與暴露時間的關系Tab.4 Relationship between maximum chlorine ion concentration and exposure time

由表4可知，三種混凝土表面氯離子濃度的最大值大小順序為C30>C40>C50，其基本規律為混凝土表面氯離子濃度的最大值隨著混凝土強度的提高而降低，這表明高強度的混凝土更有利于抵抗氯離子腐蝕.

3 結 論

本文通過分析得出以下結論：

1) RA-SCC的自由氯離子含量隨滲透深度的增大而顯著降低，其衰減速率由快而慢，最終趨于穩定.同一滲透深度下，RA-SCC的自由氯離子含量隨混凝土強度等級的提高而顯著減小.

2) RA-SCC、NA-SCC和NA-C的氯離子擴散系數隨暴露時間的衰減規律均遵循冪函數變化規律.其中，RA-SCC和NA-SCC的表面氯離子擴散系數的時間依賴指數m隨混凝土強度等級的提高而增大，而NA-C的m值隨混凝土強度等級的提高而減小.同等強度下，NA-SCC的m值較RA-SCC要小.

3) RA-SCC的表面氯離子濃度隨暴露時間的增長規律同樣遵循冪函數變化規律.當暴露時間小于60 d時，混凝土的表面氯離子濃度增長顯著，但當暴露時間超過60 d后，混凝土的表面氯離子濃度增長緩慢得多.相較于NA-C和NA-SCC，RA-SCC的表面氯離子濃度在暴露時間小于60 d時，具有更快的增長速率，而在暴露時間大于60 d時，其表面氯離子濃度增長更為平緩.